Teilabdichtung Glattalpsee

Teilabdichtung Glattalpsee
Adrian Stucki, Martina Friedrich, René Hediger und Hans Bless
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Einführung
Der Glattalpsee stellt das Speicherbecken des 1970 in Betrieb genommenen Wasserkraftwerks
Glattalp - Sahli des Elektrizitätswerks des Bezirks Schwyz AG (EBS) dar und weist ein
natürliches Speichervolumen von rund 7 Mio. m3 auf. Die geomorphologischen Verhältnisse im
Bereich des Glattalpsees führen dazu, dass je nach Wasserstand Sickerverluste von bis zu
700 l/s auftreten. Mit dem bisherigen Kraftwerksbetrieb des Elektrizitätswerkes des Bezirks
Schwyz AG (EBS) betragen die jährlichen Sickerverluste knapp 50 % des Wasserdargebotes.
Generell führt dies zu Produktionseinbußen und im Besonderen dazu, dass der Glattalpsee in
den Wintermonaten trocken fällt und erst im Frühling wieder durch die Schneeschmelze
aufgefüllt wird. Die natürliche Versickerung des Wassers im Glattalpsee hat bereits vor der
hydroelektrischen Nutzung des Glattalpsees diverse Fachleute beschäftigt. In der Vergangenheit wurden unterschiedliche Abdichtungsmaßnahmen vorgeschlagen und teilweise auch
umgesetzt, wobei diese nur eine geringe Wirkung gezeigt haben.
Abb. 1 Glattalpsee
Anhand von geologischen Untersuchungen wurden in den vergangenen Jahrzehnten die
Hauptversickerungsstellen lokalisiert. Diese gilt es durch entsprechende Maßnahmen abzudichten, um somit eine deutliche Reduktion der Sickerverluste zu erreichen. Hierdurch soll die
nachhaltige Verlagerung der Sommerenergieproduktion in die Wintermonate ermöglicht
werden. Es ist geplant, die Hauptversickerungsstellen etappenweise mit geosynthetischen Tondichtungsbahnen abzudecken. Mit der geplanten Teilabdichtung des Glattalpsees sollen
Versickerungsflächen in der Größenordnung von ca. 64‘000 m2 abgedichtet werden. Dies
entspricht ungefähr 12 % der Seeoberfläche.
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Projektgebiet
Die Glattalp liegt auf 1850 m ü.M. oberhalb Bisisthal im Kanton Schwyz in der Gemeinde
Muotathal. Der Glattalpsee entstand in einer natürlichen Geländemulde. Die wesentlichen
Zuflüsse zum Glattalpsees stellen der hintere Läckibach und der Steinibach dar. Das Einzugsgebiet beträgt ca. 8.4 km2, wobei Teile davon unterirdisch in andere Gebiete entwässern. Der
einzige Personen- und Materialtransportweg zwischen dem Talboden (Sahli) und der Glattalp
bildet heute eine einspurige Seilbahn, welche pro Fahrt Lasten von maximal 5 Tonnen oder 8
Personen zu transportieren vermag.
Abb. 2 Übersichtskarte
Abb. 3 Projektgebiet
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Geomorphologie
Der Felsuntergrund des Glattalpsees besteht aus den Zementsteinschichten, die lithostratigraphisch der untersten Kreideformation der Axen-Decke zuzuordnen sind (Berriasien). Diese
Formation besteht aus einer unregelmäßigen Wechsellagerung von mergeligen Kalken,
Kalkmergeln und Mergelschiefern, insgesamt eine Abfolge aus kalkig-tonigen Mischgesteinen
mit unterschiedlichem Tonanteil. Im Vergleich zu dem darunterliegenden Quintner Kalk gelten
die Zementsteinschichten als relativ geringdurchlässig und würden theoretisch im Talboden der
Glattalp eine abdichtende Wirkung wahrnehmen. Die Mächtigkeit beträgt nach BÖGLI (1958)
mindestens 60 m. Die Realität zeigt ein anderes Bild: die gebrächen Zementsteinschichten
wurden durch Gebirgsbildung verschuppt, verfaltet und zerbrochen. Sie weisen eine ausgeprägte vertikale Klüftung auf, die quer zur schichtbedingten Anisotropie verläuft und zu bevorzugten Sickerwasserpfaden ausgestaltet wird. Durch innere Erosion der Kluftfüllungen und
chemische Lösung der kalkreichen Partien entlang des Fließpfads entstehen sukzessiv immer
„schnellere“ Sickerwege, die eine hydraulische Verbindung („Kurzschluss“) zur verkarsteten
und hochdurchlässigen Unterlage der Quintner Kalke herstellen. Mit der Zeit entstehen eigentliche Sickerkanäle, die ein verzweigtes Netzwerk von Klüften und Schichtfugen entwässern und
an das Karstsystem der darunter liegenden Quintner Kalke anschließen. Das Ausmass der
Verkarstung der Quintner Kalke in der Region ist hinreichend bekannt und wurde durch zahlreiche Färbversuche nachgewiesen.
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Kraftwerk Glattalp
Die Bestrebungen zur Nutzung des Glattalpsees als Speichersee für die Stromproduktion
gehen auf das Jahr 1942 zurück. Wirtschaftliche Abklärungen bezüglich der Sickerverluste
führten dazu, dass im Jahre 1966 der Bauentscheid für ein Hochdrucklaufkraftwerk gefällt
wurde. Das Kraftwerk wurde im Herbst 1970 in Betrieb genommen.
Tab. 1 Technische Daten des Kraftwerks Glattalp
Art
Einheit
Größe
Stauziel Glattalpsee
[m ü.M.]
1860.0
Minimalstau Glattalpsee
[m ü.M.]
1832.0
Bruttogefälle
[m]
723.0
Ausbauwassermenge
[m3/s]
1.5
Turbine
[-]
Peltonturbine (horizontalachsig)
Maximale Leistung
[MW]
9.4
Mit dem Kraftwerk Glattalp wird Wasser aus dem Glattalpsee über einen rund 4 km langen
Rohrstollen und eine rund 1.3 km lange Druckleitung (Schrägschacht und Rohrstollen) in die
Zentrale Sahli geführt, in welcher das Triebwasser mit einer Peltonturbine abgearbeitet wird.
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Abdichtungssystem
5.1
Allgemeines
Im Rahmen des Vorprojektes zur Umweltverträglichkeitsprüfung wurden unterschiedliche
Systeme für die Teilabdichtung des Glattalpsees untersucht und verglichen. Dabei stellten sich
die geosynthetischen Tondichtungsbahnen als vergleichsweise umweltfreundlicher und auch
wirtschaftlicher heraus. Des Weiteren ist auch die vergleichsweise leichte Handhabung
während dem Einbau vorteilhaft.
5.2
Geosynthetische Tondichtungsbahnen
Bei den geosynthetischen Tondichtungsbahnen (auch Bentonitmatten genannt) handelt es sich
um industriell gefertigte Geokunststoffprodukte. Sie bestehen im Allgemeinen aus einer oder
mehreren pulverförmig oder granulierten Bentonitschichten zwischen zwei Geotextillagen. Alle
Komponenten sind vollflächig kraftschlüssig vernadelt. Die Verbundstruktur der Bentonitmatten
verhindert eine Umverteilung des Bentonits durch äußere mechanische Einwirkungen im
Verarbeitungs- und Gebrauchszustand. Die Dicke der Matten liegt im trockenen Zustand im
Bereich von 1 cm. Ihre dichtende Eigenschaft erlangen Bentonitmatten durch die Quellung des
Bentonits bei Wasserzutritt unter Auflast. Die von den Herstellern zugesicherten Durchlässigkeitsbeiwerte liegen im Bereich von 10-11 m/s.
Die für Bentonitmatten verwendeten Natrium-Bentonite stellen sicher, dass in der Einbauphase
eine sofortige Quellwirkung eintritt, um eine umgehende Dichtwirksamkeit zu erzielen und
unerwartet auftretende mechanische Beschädigung durch zu robuste Einbaubelastungen
sicher abzudichten. Durch Überschüttung mit geeignetem Bodenmaterial werden die
Bentonitmatten gegen mechanische Beschädigungen dauerhaft geschützt. Baugrundverformungen können sie aufgrund ihrer Dehnfähigkeit langfristig schadlos folgen. Darüber hinaus
besitzen Bentonitmatten ein sogenanntes Selbstheilungsvermögen. Bei Temperaturen unterhalb 0°C gefriert das Wasser in der gequollenen Bentonitmatte und es können Mikrorisse
entstehen. Taut die geosynthetische Dichtungsmatte wieder auf, schließt der Bentonit durch
Quellvorgänge diese Risse wieder. Nach einer Reihe von Frost-Tau-Zyklen kann ein leichter
Anstieg der Wasserdurchlässigkeit (k-Wert) beobachtet werden. Gemäß Angaben der
Hersteller liegt dieser Anstieg im Bereich einer Zehnerpotenz, sprich die Durchlässigkeit sinkt
auf Werte im Bereich von 10-10 m/s. Diese Zunahme ist für die vorliegende Problemstellung
vernachlässigbar.
Die vollflächige, kraftschlüssige Schubkraftübertragung und der optimale Kontaktreibungswinkel vernadelter Vliesstoffe ermöglichen den Einsatz auch auf steilen Böschungen. Die
Lieferung der geosynthetischen Tondichtungsbahnen erfolgt in Rollen mit Standardabmessungen von ungefähr 5 m Breite und 40 m Länge.
5.3
Aufbau
Zur Teilabdichtung des Glattalpsees wird ein Abdichtungssystem mit folgenden Komponenten
vorgeschlagen:
 Geotextil: Das Geotextil wird auf den planierten Untergrund aufgebracht. Es verhindert das
Ausschwemmen feiner Bestandteile der Aufschüttung und trägt darüber hinaus zur Trennung der einzelnen Materialien bei.
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 Geogitter: Das Geogitter wird auf das Geotextil aufgebracht und dient der Stabilisierung
und Armierung der Tragschicht. Statische Lasten können so großflächig auf den Untergrund
verteilt werden. Punktuelle Setzungen, die sich negativ auf die darüber liegenden Dichtschichten auswirken könnten, werden ausgeglichen und folglich abgeschwächt.
 Tragschicht: Die Tragschicht stellt das Planum für die Bentonitmatte dar. Sie besteht aus
einem weit gestuften Kies-Sand-Gemisch. Sie muss abgezogen, abgewalzt und gegebenenfalls verdichtet werden. Setzungen oder Materialbewegungen in der Fundation werden
durch diese Schicht ausgeglichen und haben somit keinen negativen Einfluss auf die
Dichtwirkung der geosynthetischen Tondichtungsbahn.
 Geosynthetische Tondichtungsbahn
 Aufschüttung: Die Aufschüttung besteht aus zwei Schichten, der Ausgleichsschicht
(Schutzschicht) und der Deckschicht. Die Deckschicht dient zum Schutz der Dichtschichten
gegen Frost- und mechanische Einwirkungen. Sie besteht aus kiesigem Material und besitzt
keine Dichtwirkung. Bei Verwendung des vorhandenen Schuttmaterials zur Herstellung der
Deckschicht, wird der Einbau einer zusätzlichen Ausgleichs-/Schutzschicht empfohlen.
Diese verhindert Beschädigungen der Bentonitmatte durch scharfe Kanten oder Spitzen des
aufbereiteten Schuttmaterials der Deckschicht.
Abb. 4 Genereller Schnitt zur Ausbildung des Schichtaufbaus
5.4
Schüttmaterial
Das erforderliche kiesig-sandige Material kann durch Aufbereitung aus dem in großen Mengen
vorhandenem Schuttmaterial im Bereich des Glattalpsees gewonnen und aufbereitet werden.
Die Vorteile der gewählten Abdichtungsmethode sind einerseits vergleichbar tiefere Kosten und
andererseits weniger Transporte. Mit den entsprechenden technischen Einrichtungen (Brechund Siebanlage), kann das abgebaute Material in unmittelbarer Nähe zu den späteren
Einbauorten qualitativ einwandfrei aufbereitet werden. Es ist geplant, dass bereits ein Jahr vor
Beginn der Abdichtungsmaßnahmen mit der Materialgewinnung und Materialaufbereitung
begonnen wird. Für die Lagerung des aufbereiteten Schüttmaterials sind drei Zwischenlager
geplant (siehe Abschnitt 4.1). Die Aufbereitung von Schüttmaterial wird auch während den
Abdichtungsarbeiten stattfinden. Damit das Landschaftsbild erhalten bleibt, darf das Schüttmaterial ausschließlich unterhalb des Stauziels abgebaut werden.
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Bauvorhaben
6.1
Projektübersicht
Die Hauptversickerungsstellen sollen etappenweise – in sogenannten Abdichtungsphasen,
siehe Abb. 5 – abgedichtet werden:
 Abdichtungsphase 1;
 Abdichtungsphase 2 (2A und 2B);
 Abdichtungsphase 3 (nach Bedarf).
Abb. 5 Projektübersicht
Zwischen der Abdichtungsphase 1 und 2 soll durch eine entsprechende Erfolgskontrolle die
Wirksamkeit der umgesetzten Abdichtungsmaßnahmen überprüft werden. Entsprechend der
Resultate der Erfolgskontrolle werden die baulichen Aktivitäten abgeschlossen, angepasst oder
im Rahmen einer dritten Abdichtungsphase weitergeführt. Mit der (eventuell erforderlichen)
Abdichtungsphase 3 könnten weitere kleinere Versickerungsbereiche zusätzlich abgedichtet
werden.
6.2
Bauvorgang
Gemäß dem derzeitigen Projektierungsstand ist vorgesehen, dass im Jahr vor den Abdichtungsarbeiten Vorbereitungs- und Installationsarbeiten durchgeführt werden. Dabei werden das
bestehende Wegenetz entsprechend den Bedürfnissen des Bauunternehmers ausgebaut
(Ausweichstellen, Kurvenverbreiterungen, etc.), Fuß- und Wanderwege verlegt, die Zwischenlager für das aufbereitete Schüttmaterial vorbereitet sowie Bauinstallationsplätze und Baupisten
erstellt. In den nachfolgenden Jahren wird jährlich eine Teilabdichtungs-Phase im Glattalpsee
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ausgeführt, Dieser Bauablauf richtet sich in erster Linie nach dem durch die Natur gegebenen
jährlichen Bauzeitfenster auf der Glattalp, welches sich auf rund 4.5 Sommermonate beschränkt. Ebenfalls sind unerwartete Kälteeinbrüche oder Schlechtwetterperioden wahrscheinlich, welche zu Stillständen und Bauablaufstörungen führen können. Des Weiteren ist zu
bedenken, dass der Glattalpsee im Vorfeld der Bauarbeiten abgesenkt oder entleert werden
muss. Die Absenkungs- resp. Entleerungsphase nimmt mehrere Wochen in Anspruch.
6.3
Seebewirtschaftung
Die Bewirtschaftung des Glattalpsees wird durch die Abdichtungsarbeiten eingeschränkt. Die
Teilabdichtung der Phase 1 befindet sich im tiefsten Bereich des Seebeckens beim Stolleneinlauf des Kraftwerks Glattalp. Vor Beginn der Abdichtungsarbeiten muss der Baustellenbereich trockengelegt werden, was eine Entleerung des Glattalpsees bedingt. Es ist geplant, dass
der Baustellenbereich anschließend mit einem Fangdamm umschlossen wird, damit dessen
Trockenhaltung und Schutz vor Hochwassern während den Abdichtungsarbeiten gewährleistet
werden kann. Da die Krone des Fangdammes deutlich unter dem Stauziel des Glattalpsees
liegt, ist dessen Bewirtschaftung während der gesamten Bauphase nur eingeschränkt möglich.
Die Abdichtungsbereiche der Phasen 2A und 2B liegen im Vergleich zu derjenigen der Phase 1
höher. Folglich muss der Glattalpsee für Phase 2A und 2B nicht entleert werden, sondern
lediglich abgesenkt werden, was folglich nur eine eingeschränkte Seebewirtschaftung resp.
einen eingeschränkten Kraftwerksbetrieb zulässt.
Je nach Ausmaß und Lage der abzudichtenden Stellen, ist auch während der eventuell
notwendigen dritten Abdichtungsphase von einer Teilabsenkung des Glattalpsees auszugehen.
Diese wird, ähnlich wie bei den anderen Abdichtungsphasen sehr wahrscheinlich über die
gesamte Bauzeit anhalten und den Betrieb des Kraftwerks Glattalp beeinträchtigen.
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Baustellenerschließung
Eine zentrale Herausforderung der Teilabdichtung des Glattalpsees stellt die Baustellenlogistik
dar, wobei der Erschließung der exponierten Baustelle eine besondere Bedeutung zukommt.
Heute steht für den Transport von Baugeräten, Baumaterialien, etc. ausschließlich die
bestehende Luftseilbahn zur Verfügung (siehe Abb. 3). Aufgrund der jährlich zur Verfügung
stehenden Bauzeit, ist für die Teilabdichtung des Glattalpsees der Einsatz von leistungsfähigen
Baugeräten zweckmäßig. Nach ersten Abklärungen ist der Einsatz von Hydraulikbaggern (ca.
24 t) und Dumpern (ca. 22 t) sowie einer Brech- und Siebanlage (ca. 28 t) zu rechnen. Für den
Transport dieser großen und schweren Baumaschinen reicht die Nutzlast der vorhandenen
Luftseilbahn nicht aus. Insofern müssten die Baugeräte in transportierbare Einzelteile zerlegt
und auf der Glattalp wieder zusammengebaut werden, was mit einem relativ großen
Arbeitsaufwand verbunden wäre. In Anbetracht der eingeschränkten Bauzeit, werden die Baugeräte im Frühling/Frühsommer auf die Glattalp transportiert werden müssen. Während dieser
Jahreszeit können die Klima- und Witterungsverhältnisse im Projektgebiet die Tätigkeiten
beeinflussen. Aufgrund der diversen mit der Nutzung der bestehenden Luftseilbahn verbundenen Logistikprobleme, wurden die nachfolgend aufgeführten Varianten untersucht:
 Ausbau der bestehenden Luftseilbahn;
 Bau einer temporären Materialseilbahn;
 Transporte mit Schwerlasthubschrauber.
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Ein Variantenvergleich brachte hervor, dass der Transport mit einem Schwerlasthubschrauber
die kostengünstigste Variante darstellt – sofern die Baugeräte zu Beginn der Bauarbeiten auf
die Glattalp und erst nach Bauende wieder ins Tal geflogen werden. Somit würden die
Baugeräte während der gesamten Bauzeit auf der Glattalp bleiben, was während den
Wintermonaten mit Stillstandmieten verbunden wäre. Ebenfalls wäre ein adäquater Schutz der
Baugeräte vorzusehen, da die Temperaturen auf der Glattalp während des Winters zeitweise
extrem tief sein können.
Mit höherer werdender Nutzlast steigen die Investitionskosten für den Bau der Materialseilbahn
an. Dem gegenüber ist der Transportaufwand der Baugeräte geringer, da diese in weniger
Teile zerlegt werden müssen. Unter Verwendung von Kostenschätzungen für die Zerlegung
und den Zusammenbau der Baugeräte konnte aufgezeigt werden, dass der Bau einer
temporären Materialseilbahn mit deutlich größerer Nutzlast gegenüber den anderen beiden
Varianten unwirtschaftlicher ist.
Die Kosten für den Ausbau der bestehenden Luftseilbahn (Erhöhung der Nutzlast auf 10 t)
liegen etwa zwischen jenen der ersten beiden Varianten. Wie bei der Materialseilbahn, wurden
bei dieser Variante die Kosten für die Zerlegung und den Zusammenbau der Baugeräte und
deren Stillstandmieten berücksichtigt. Im Vergleich zu den beiden anderen Varianten kann die
Luftseilbahn auch nach Projektbeendigung beispielsweise für Unterhaltsarbeiten oder eventuelle weitere Bauvorhaben genutzt werden. Es ist auch bei dieser Variante zu beachten, dass
eine Zerlegung der Baugeräte erforderlich ist.
Zurzeit ist noch nicht abschließend geklärt, welche Erschließungsvariante weiterverfolgt wird.
8
Zusammenfassung und Ausblick
Die Teilabdichtung des Glattalpsees wird in erster Linie von baulogistischen Prozessen diktiert,
welchen insbesondere in den schwierigen Verhältnissen des Hochgebirges große Bedeutung
zugeschrieben werden muss. Auch die Transporte werden für den Bauablauf eine bedeutende
Rolle spielen. Deswegen werden weitere Studien für die Baustellenerschließung und das
Transportkonzept einen wesentlichen Teil der Vorbereitungsarbeiten in Anspruch nehmen.
Weiter wird der Bauablauf noch einmal kritisch überprüft werden müssen, wobei die örtlichen
Verhältnisse und die klimatischen Bedingungen nicht außer Acht gelassen werden dürfen. Im
Speziellen wird der Bau des Fangdammes detaillierter untersucht werden, da dieser wegen der
Geländeform des Seebeckens eine Länge von zirka 550 m aufweisen muss.
Auch wenn gewisse Bedenken bezüglich des Landschaftsbildes zur Diskussion standen, wird
der Abbau und die Aufbereitung des Schüttmaterials im Projektgebiet als sinnvoll erachtet.
Hierdurch wird während der Bauzeit einerseits die Baustellenerschließung entlastet und
andererseits die Anzahl der erforderlichen Lastwagenfahrten maßgeblich reduziert, was
positive Auswirkungen auf die Verkehrs- und Lärmbelastung im Raum Muotathal haben.
Ebenfalls muss das Abdichtungssystem in der nächsten Projektphase verifiziert werden. So
sind beispielsweise die im Rahmen des Vorprojekts definierten Schichtstärken nochmals zu
überarbeiten und aufgrund von Ergebnissen weiterer Baugrunduntersuchungen gegebenenfalls
anzupassen.
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Literatur
AF-Consult Switzerland AG (2015). Teilabdichtung Glattalpsee, technischer Bericht, Baden,
2015.
AF-Consult Switzerland AG (2015). Bauumleitung, technischer Bericht, Baden, 2015.
AF-Consult Switzerland AG (2015). Erschliessung Glattalp, technischer Bericht, Baden, 2015.
Dr. Von Moos AG (2013). Hydrogeologische Untersuchung im Gebiet Steinibach - Glattalpsee,
Zürich, 2013.
Anschrift der Verfasser
Adrian Stucki, dipl. Bauingenieur FH
AF-Consult Switzerland AG
Täfernstraße 26, CH-5405 Baden
[email protected]
Martina Friedrich, dipl. Bauingenieur TU
AF-Consult Switzerland AG
Täfernstraße 26, CH-5405 Baden
[email protected]
René Hediger, Bereichsleiter Bauwesen
Elektrizitätswerk des Bezirks Schwyz AG
Riedstraße 17, CH-6431 Schwyz
[email protected]
Hans Bless, Direktor / CEO
Elektrizitätswerk des Bezirks Schwyz AG
Riedstraße 17, CH-6431 Schwyz
[email protected]

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